超百米深河床覆蓋層大壩圍堰基礎防滲設計方案比較研究

馬敬 蔣兵

新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，中國·新疆 烏魯木齊 830002

圍堰基礎防滲；方案分析；基坑排水

1 引言

中國壩工建設中，超百米深河床覆蓋層的深基礎大壩工程已建有數(shù)座。深防滲墻的施工技術日趨成熟，設計與實施已不是難題。但是，因主體基礎防滲墻具有深度大，難度高，施工周期長等特點，加之上游圍堰基礎防滲情況又與防滲墻施工、壩體填筑實施等直接相關，所以，圍堰基礎防滲設計也是此類項目設計的關健，倍受關注。一方面，圍堰防滲基礎屬臨時工程，如與主體工程做同等深度全防滲，雖利于主體防滲墻及壩體填筑施工，但存在工期長、強度大、造價高等弊端。另一方面，如圍堰基礎做不完全防滲，雖節(jié)約了投資，但后序施工排水等帶來的問題也是不易解決的難題。在兵團石門水庫建設中，結合具體的地質、水文與施工條件，設計方案與施工組織緊密結合，對深覆蓋層大壩圍堰防滲基礎的設計進行了科學嚴謹?shù)姆治稣撟C，并得出了最優(yōu)方案。該方案已在石門水庫工程中成功應用，積累了成功經(jīng)驗，對類似工程具有很好的借鑒意義。

2 工程簡介

中國新疆石門水庫工程隸屬兵團第二師，位于莫勒切河出山口處，地處祖國南疆邊境，距烏魯木齊市1450km。石門水庫為莫勒切河上的一座攔河水庫，樞紐建筑物由攔河大壩、底孔泄洪沖砂洞、表孔溢洪道組成。大壩為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高81.5m，壩頂寬10m，壩頂長530.6m，上游壩坡為1:2.25，下游壩坡為1:2。壩體座落在第四系全新統(tǒng)沖洪（Q4al）漂卵礫石層及中更新統(tǒng)冰水沉積（Q2fgl）卵礫石層，最大覆蓋層厚度118.7m，河床海拔高程2327m。大壩基礎防滲形式采用混凝土防滲墻與基巖帷幕灌漿相結合，為完全防滲結構。防滲墻最大深度118m，伸入基巖1m，墻底設50m 深帷幕灌漿。大壩上游圍堰工程為永臨結合，是永久壩體的一部分，最大堰高24m。

莫勒切河發(fā)源于巴音郭楞蒙古自治州南部昆侖山北麓和阿爾金山的兩條東西相鄰河流，多年平均徑流量大于2.71 億m3，多年平均流量9.75m3/s，主要為暴雨洪水或雨雪混合洪水，主汛期在6-8月；最枯月為3月，最枯期多年平均流量1.33m3/s；9月中旬10年一遇洪峰流量為 69.8m3/s。河流出山口附近年平均氣溫2.3℃，最高月7月平均氣溫17.7℃，最低月1月平均氣溫-11.5℃。

3 壩址區(qū)工程地質條件

水庫壩址區(qū)位于莫勒切河出山口處,為低中山河谷地貌,山頂高2500m,兩壩肩基巖山體較為雄厚。該段河谷呈U 型,走向近南北向,河道縱坡11‰?，F(xiàn)代河床寬200 ～380m,高程2325m 左右,河床為第四系全新統(tǒng)沖洪（Q4al）漂卵礫石層及中更新統(tǒng)冰水沉積（Q2fgl）卵礫石層，最大厚度118.7m。工程區(qū)地震動峰值加速度0.2g，地震動反應譜特征周期0.40s，相應地震基本烈度Ⅷ度。

地質勘察期采用現(xiàn)場原位測試及室內試驗等方法，查明壩址區(qū)覆蓋層物理力學性質，各項試驗物理成果如表1所示。

4 大壩圍堰基礎防滲設計方案的分析論證

本工程大壩基礎防滲墻為完全截滲結構，軸線長度335m，最大墻深118m，伸入泥巖1m，總成墻面積為39500m2。參照中國高原地區(qū)已有的超百米深（1m 厚）基礎防滲墻施工平均能力水平140m2/d,石門水庫大壩基礎防滲墻施工用時需13 個月，需跨越一個主汛期。結合河道截流工時段，設計安排防滲墻施工均在枯水期進行，即河道兩側灘地處共255m 長的防滲墻施工在開工后第一年的枯水期9月開始，至第二年5月完成，第二年6、7、8 三個月主汛期不施工，待9月中旬河道截流后，圍堰已進行填筑的10月初開始施工主河槽剩余段90m 長的防滲墻，防滲墻施工完成后即進入地上工程瀝青混凝土心墻壩的填筑施工。

結合以上總體工期安排，并分析莫勒切河的河道特點，由水文勘察可知，莫勒切河為全年無干枯河流，多年平均流量9.75m3/s，枯水期多年平均流量1.33m3/s，枯水期主河槽水面寬40 ～70m，兩側灘地均無明水。充分分析水文、氣候、施工條件等基礎資料，研究大壩圍堰基礎的防滲設計型式事關主河槽段防滲體及大壩填筑施工，因此，在確保安全、可靠的前提下做到節(jié)約工期、節(jié)省投資，設計分別考慮了如下兩種圍堰基礎防滲設計方案進行比較，并最終推薦了較優(yōu)方案，指導了該項目的順利實施。

4.1 方案一：上游圍堰基礎設0.5m 厚完全防滲墻[1]

該方案為在上游圍堰前坡腳處設116.1m 深50cm 厚的混凝土防滲墻，防滲墻深入底部巖石，上部與圍堰土工膜斜墻防滲體相接，此方案圍堰為完全防滲結構。圍堰防滲軸線長360m，成墻面積44000m2, 圍堰防滲墻施工開始時段與主體防滲墻施工同步進行，但圍堰截滲墻可以利用枯水期全部施工完成，即開工后第一年10月開始，至第二年5月完成，施工強度190 m2/d,9月份河道截流后可以進行圍堰填筑、主河槽段的主體防滲墻及后序的壩體填筑施工。方案一圍堰基礎完全防滲墻設計橫斷面圖及主要工程量投資情況見圖1、表2。

表1 覆蓋層主要物理力學性質參數(shù)表

圖1 方案一：大壩圍堰基礎完全防滲設計橫斷面圖

表2 方案一：大壩圍堰基礎完全防滲方案主要工程量及投資情況表

4.2 方案二：上游圍堰基礎設（0.5m 厚）懸掛式防滲墻[1]+截流后主體工程施工期(堰頂高程以下部位)的經(jīng)常性排水[2]

經(jīng)分析，該工程基礎防滲墻主河床段施工在截流后10 ～1月進行，若圍堰基礎做非完全截滲結構，存在該時段枯水期排水問題；瀝青混凝土心墻壩體填筑在第三年的3月中旬開始進行，3月中旬至5月底，主汛期來臨之前，按照新疆地區(qū)瀝青心墻壩施工平均水平，土方填筑強度35 萬m3/月，每月有效施工期25 天，瀝青心墻上升速度不低于9m/月，經(jīng)計算，主汛期之前，壩體填筑高度不低于18m，即達到2342.5m 以上。依據(jù)水文成果，該河枯水期多年平均流量1.33m3/s，截流時段9月上旬，10年一遇的旬平均流量為21.1m3/s，最枯月為三月10年一遇平均流量為2.16m3/s，按10年一遇各月平均流量計算堰前水位-流量關系可知，主河槽段防滲墻施工期10月至1月，堰前最高水位在9月底，水位高3.5m，大壩開始填筑期3月中旬，堰前最高水位為0.9m，至5月底，堰前最高水位為8.7m，取枯水時段堰前最高水頭為10m，堰后未進行壩體填筑施工的最不利工況進行圍堰基礎防滲墻懸掛深度設計，設計分別初擬了6m、8m、10m、12m、15m 等5 種深度進行滲流穩(wěn)定分析及滲漏量計算。圍堰堰體的防滲型式與方案一相同，即上游坡設土工膜斜墻防滲結構與基礎防滲墻相連。不同工況下圍堰懸掛防滲墻的滲透穩(wěn)定計算[1]見表3。

表3 圍堰懸掛式防滲墻基礎不同工況的滲透穩(wěn)定計算表

經(jīng)對幾種不同堰前水位分別對應不同防滲墻深度的滲透穩(wěn)定分析計算可知，堰后最大出逸出降值均發(fā)生在堰后坡腳最低處，通過以上計算表可見，當防滲墻深度大于10m 后，堰后最大滲透比降值趨于穩(wěn)定，即隨著防滲墻深度的加深，滲透比降減小不明顯或沒有減小，其中枯水期9 ～3月，堰后比降值最大0.07，最小0.02，均遠遠小于地質勘察給出的圍堰填筑砂礫料允許出逸比降0.25；5月底堰前最高水頭為10m、防滲墻深度大于10m 工況，堰后最大出逸比降為0.21，發(fā)生在堰后坡腳，雖接近允許出逸比降值，但該種工況在實際施工中不存在，可作為圍堰設計的安全復核工況。根據(jù)最低施工進度，該時期堰后壩體上升高度已大于18m，不存在堰后滲透不穩(wěn)定問題。因此，綜合滲流計算、安全、經(jīng)濟等因素，該方案圍堰基礎防滲墻深度取12m。

結合枯水施工期堰體滲流計算，該時段最大滲漏量為57.53m3/天/米，即 2.4m3/h/米，則圍堰總滲漏為910m3/h,施工排水可由集水明排解決，即在圍堰下游側設一條排水明渠，排水渠內每隔50m 設一集水井，排水渠深1.5m，集水井較排水溝深1m，排水渠底寬3m，開挖渠邊坡為1：2，集水井個數(shù)為8 個，沿排水渠勻均布設，每個集水井布置一臺離心泵，單臺離心泵技術參數(shù)為：流量150m3/h，揚程50m，電機功率30KW，可滿足整個枯水施工期的抽排水要求。方案二圍堰基礎懸掛式防滲墻設計[1]與施工布置橫斷面圖及主要工程量投資情況見圖2、表4。

5 方案的比較與確定

方案一：優(yōu)點是基礎完全防滲結構保證了主河槽段施工可在較干燥的作業(yè)面進行，基本無施工排水問題。缺點是圍堰完全防滲墻施工投入的機械設備較多，加之與大壩防滲墻同期施工，總體防滲墻施工的強度較高；且工程投資較高，堰體填筑、基礎處理及少量排水工程投資約3574.69 萬元。

方案二：優(yōu)點是懸掛式防滲墻，墻體深度較淺，施工容易，且與施工排水相接合的總體工程投資較低，約為2729.05 萬元，較方案一投資節(jié)約850 萬元。缺點是該方案主體工程施工需有連續(xù)幾月的基坑排水相配合，對現(xiàn)場施工組織要求高，特別科學排水要求嚴格，并應嚴格把握施工進度，確保工程如期進行。

圖2 方案二：圍堰基礎懸掛式防滲墻設計及施工布置橫斷面圖

表4 方案二：大壩圍堰基礎懸掛式防滲方案主要工程量及投資情況表

為保證石門水庫工程的質量與進度，大壩基礎防滲墻工程在正式開工前進行了試驗段施工。經(jīng)試驗，防滲墻的施工進度略高于設計平均進度，約為230m2/天，因此在試驗段成果的基礎上，圍堰基礎防滲設計推薦方案二，即懸掛式防滲墻方案。

6 結語

石門水庫工程于2013年7月正式開工，2016年9月下閘蓄水，2017年6月工程全部完工，水庫建設順利，至今該水庫已正常蓄水運行，經(jīng)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，水庫運行情況完好，壩體穩(wěn)定、安全。超百米深河床覆蓋層的大壩圍堰懸掛式基礎防滲的設計已在新疆兵團石門水庫中得到成功應用，并為國家節(jié)約了工程投資，愿該經(jīng)驗能給類似工程以參考和借鑒。